基于AndroMDA的實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼生成技術(shù)研究

苑春春，孔祥營，凌云鋒

（中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

目前，實(shí)時(shí)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生以及日常生活等領(lǐng)域，并發(fā)揮著極其重要的作用。但由于硬件、性能等約束，實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的開發(fā)通常要比非實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的開發(fā)困難許多[1]。代碼生成技術(shù)是一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)程序來產(chǎn)生其他程序的技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)可有效提高軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率[2]。因此，將代碼生成技術(shù)應(yīng)用到實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的開發(fā)中是一件有必要且很有意義的工作。

LACATRE[3-4]是一種用于實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用的圖形化軟件設(shè)計(jì)工具，它以圖形化方式支持軟件的設(shè)計(jì)和代碼生成。該工具可支持任務(wù)、中斷及信號(hào)量等對(duì)象，并生成相應(yīng)的代碼，具有直觀和操作簡便的優(yōu)點(diǎn)。但由于其抽象層次較低，代碼生成效率并不高。MDA[5-6]也是利用圖形化的開發(fā)工具對(duì)軟件進(jìn)行開發(fā)。它以UML為工具進(jìn)行圖形化建模，并將模型區(qū)分為描述系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的PIM和描述系統(tǒng)在特定技術(shù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的PSM，通過PIM到PSM的轉(zhuǎn)換和PSM到代碼的轉(zhuǎn)換，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程。MDA對(duì)于提高軟件的生產(chǎn)效率、可移植性、可復(fù)用性、可維護(hù)性等方面，都產(chǎn)生積極地影響，然而目前并沒有面向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)的MDA工具。本文基于開源軟件AndroMDA，以VxWorks操作系統(tǒng)[7-8]為平臺(tái)，研究和設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的PIM到PSM、PSM到代碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則和實(shí)現(xiàn)算法。最后通過實(shí)際效果驗(yàn)證，該技術(shù)能有效提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率和質(zhì)量。

1 AndroMDA簡介

AndroMDA[9-10]是遵循MDA規(guī)范的一個(gè)開源的開發(fā)工具。AndroMDA導(dǎo)入由建模工具生成的以XMI文件形式表示的PIM，將其實(shí)例化為語法抽象樹；然后對(duì)實(shí)例化后的PIM進(jìn)行遍歷。在此過程中，AndroMDA生成相應(yīng)的Metafacade對(duì)象，通過該對(duì)象將PIM轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PSM；再通過模板引擎及相應(yīng)的模板文件，將PSM轉(zhuǎn)換成代碼。

AndroMDA由Cartridge、Metafacade、Repository、Template Engines和Translation Libraries等組件組成。其中，Cartridge是AndroMDA模型轉(zhuǎn)換過程中的核心組件，它的功能是提取加了擴(kuò)展機(jī)制或滿足特定推斷條件的UML元素并進(jìn)行處理；Metafacade從模板中獲取模型的API，簡化模板的工作；Repository是負(fù)責(zé)存儲(chǔ)PIM的主要組件；Template Engines是負(fù)責(zé)代碼生成的組件；Translation Libraries將OCL轉(zhuǎn)換成為特定平臺(tái)的代碼，實(shí)現(xiàn)代碼的約束和查詢。

現(xiàn)在AndroMDA主要用于生成J2EE平臺(tái)上的代碼，通過修改和擴(kuò)展AndroMDA的組件，可設(shè)計(jì)出生成其他平臺(tái)代碼的工具。

2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換規(guī)則研究

模型轉(zhuǎn)換規(guī)則研究包括分析平臺(tái)技術(shù)，設(shè)計(jì)其PSM元模型，以及設(shè)計(jì)PIM到PSM和PSM到代碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則[9]。本文主要研究類圖及狀態(tài)圖這兩種UML圖的轉(zhuǎn)換規(guī)則，其中類圖實(shí)現(xiàn)任務(wù)、中斷和通信的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，狀態(tài)圖實(shí)現(xiàn)任務(wù)或中斷的動(dòng)態(tài)行為。

2.1 PSM元模型

PSM元模型描述PSM的語義，它代表了PSM所屬平臺(tái)的核心概念和關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心概念包括有可編程對(duì)象和可配置對(duì)象[3]?？删幊虒?duì)象是應(yīng)用程序中產(chǎn)生動(dòng)作的實(shí)體，并體現(xiàn)了信息轉(zhuǎn)換的過程。在VxWorks平臺(tái)中，可編程對(duì)象有任務(wù)(Task)、信號(hào)(Signal)、中斷服務(wù)程序(ISR)和看門狗(Watchdog Timer)等?？膳渲脤?duì)象用于可編程對(duì)象之間的通信和同步。在 VxWorks平臺(tái)中，可配置對(duì)象有信號(hào)量(Semaphore)、消息(Message)、消息隊(duì)列(Message Queue)、和管道(Pipe)等。

根據(jù)上述概念，本文給出VxWorks平臺(tái)的PSM元模型如圖1所示。

圖1 VxWorks的PSM元模型

2.2 PIM到PSM的轉(zhuǎn)換規(guī)則

在 AndroMDA中，PIM到 PSM的轉(zhuǎn)換是由Metafacade類來實(shí)現(xiàn)的。PIM與PSM之間的轉(zhuǎn)換可以看作是對(duì)PIM的Metafacade類的操作，這些操作的返回結(jié)果是一個(gè) PSM 的元對(duì)象，操作的算法則是 PIM到PSM的轉(zhuǎn)換規(guī)則。本文設(shè)計(jì)的PIM到PSM的轉(zhuǎn)換規(guī)則如下:

1）PIM中實(shí)現(xiàn)任務(wù)的類對(duì)應(yīng)著PSM中的一個(gè)任務(wù)，此類的狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)過程。

2）PIM中實(shí)現(xiàn)中斷的類對(duì)應(yīng)著PSM中的一個(gè)中斷（中斷處理程序調(diào)用、看門狗程序調(diào)用、信號(hào)中斷調(diào)用等），此類的狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)中斷的具體實(shí)現(xiàn)過程。

3）PIM中實(shí)現(xiàn)通信的類對(duì)應(yīng)著PSM中的一個(gè)通信（二進(jìn)制信號(hào)量、互斥信號(hào)量、計(jì)數(shù)器信號(hào)量、消息隊(duì)列、管道等）。

4）如果PIM狀態(tài)機(jī)中遷移的觸發(fā)事件是并發(fā)事件，此遷移對(duì)應(yīng)一個(gè)并發(fā)任務(wù)調(diào)用。

5）如果PIM狀態(tài)機(jī)中遷移的觸發(fā)事件是中斷事件，根據(jù)中斷事件所屬類的類型，此遷移分別對(duì)應(yīng)著中斷處理程序調(diào)用、看門狗程序調(diào)用、信號(hào)中斷調(diào)用等中斷的調(diào)用。

6）如果PIM狀態(tài)機(jī)中遷移的觸發(fā)事件是通信事件，根據(jù)通信事件所屬類的類型，此遷移分別對(duì)應(yīng)著二進(jìn)制信號(hào)量、互斥信號(hào)量、計(jì)數(shù)器信號(hào)量、消息隊(duì)列、管道等通信的調(diào)用。

根據(jù)上述模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的Metafacade類模型。

在AndroMDA中，通過在PIM元模型上添加擴(kuò)展機(jī)制(UML profile)，解決轉(zhuǎn)換過程中信息不明確的情況[9]。由于擴(kuò)展機(jī)制一般是根據(jù)相關(guān)平臺(tái)的特征設(shè)計(jì)的，所以擴(kuò)展后的PIM在一定程度上會(huì)帶有與PSM所屬平臺(tái)相關(guān)的信息，降低 PIM 的平臺(tái)無關(guān)性。但PIM與PSM的概念本就是相對(duì)的，并沒有絕對(duì)的平臺(tái)無關(guān)[6]，所以將PIM保持在一個(gè)相對(duì)較大程度的平臺(tái)無關(guān)即可。由此本文提出設(shè)計(jì)擴(kuò)展機(jī)制的一個(gè)基本原則:通過領(lǐng)域分析，將擴(kuò)展機(jī)制設(shè)計(jì)為與領(lǐng)域平臺(tái)保持一定相關(guān)，而與此領(lǐng)域內(nèi)具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)平臺(tái)保持無關(guān)，通過這種方式保持PIM較大程度的平臺(tái)無關(guān)性。

圖2 Metafacade類模型

本文設(shè)計(jì)的擴(kuò)展機(jī)制如表1、表2所示。可以看出，這些擴(kuò)展機(jī)制都不是VxWorks平臺(tái)所特有的，而是所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)都具有的特征，它們同樣可以應(yīng)用于其他的實(shí)時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)。所以這些擴(kuò)展機(jī)制雖然與實(shí)時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)，但與VxWorks平臺(tái)仍保持較大程度的平臺(tái)無關(guān)，符合本文提出的設(shè)計(jì)原則。

表1 本文設(shè)計(jì)的構(gòu)造型擴(kuò)展機(jī)制

2.3 PSM到代碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則

PSM到代碼的轉(zhuǎn)換主要由Cartridge組件負(fù)責(zé)。Cartridge組件對(duì)PSM進(jìn)行分析，并通過相應(yīng)的模板文件將PSM轉(zhuǎn)換為代碼文件。

本文主要針對(duì)狀態(tài)圖提出轉(zhuǎn)換規(guī)則。狀態(tài)圖由狀態(tài)和狀態(tài)間的遷移組成，在轉(zhuǎn)換過程中，狀態(tài)圖中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為任務(wù)或中斷的過程或執(zhí)行點(diǎn)；狀態(tài)之間的遷移轉(zhuǎn)換為任務(wù)或中斷對(duì)其他實(shí)時(shí)對(duì)象的調(diào)用語句；任務(wù)或中斷的循環(huán)、條件等控制語句則是在對(duì)狀態(tài)圖結(jié)構(gòu)的有限遍歷分析得出的。

表2 本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽值擴(kuò)展機(jī)制

2.3.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則

狀態(tài)圖中的狀態(tài)可分為偽狀態(tài)、簡單狀態(tài)和復(fù)合狀態(tài)。

偽狀態(tài)又可分為初始狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)、選擇狀態(tài)和歷史狀態(tài)等。初始狀態(tài)表示程序開始運(yùn)行；終止?fàn)顟B(tài)表示程序執(zhí)行結(jié)束，轉(zhuǎn)換為刪除語句或結(jié)束語句；選擇狀態(tài)表示程序的條件控制語句，結(jié)合遷移中的監(jiān)護(hù)條件，實(shí)現(xiàn)程序的選擇語句；歷史狀態(tài)表示先前被激活的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為任務(wù)恢復(fù)語句。

簡單狀態(tài)轉(zhuǎn)換為程序的執(zhí)行點(diǎn)，可通過狀態(tài)的動(dòng)作來說明此段程序的具體執(zhí)行語句。

復(fù)合狀態(tài)中的或狀態(tài)代表了一組順序執(zhí)行的子狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為程序中相應(yīng)的順序執(zhí)行語句。復(fù)合狀態(tài)中的與狀態(tài)代表了多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的子狀態(tài)，結(jié)合遷移中的并發(fā)事件，轉(zhuǎn)換為程序中對(duì)多個(gè)并發(fā)任務(wù)的任務(wù)激活語句。

2.3.2 遷移轉(zhuǎn)換規(guī)則

狀態(tài)間的遷移由源狀態(tài)、觸發(fā)事件、監(jiān)護(hù)條件、動(dòng)作和目標(biāo)狀態(tài)組成。

由前文可知，本文設(shè)計(jì)的觸發(fā)事件有四種:并發(fā)事件、中斷事件、接收事件和發(fā)送事件。并發(fā)事件表示對(duì)并發(fā)任務(wù)的調(diào)用，轉(zhuǎn)換為任務(wù)調(diào)用語句；中斷事件表示對(duì)中斷事件的響應(yīng)，根據(jù)中斷事件的類型，轉(zhuǎn)換為中斷服務(wù)程序、信號(hào)或看門狗的中斷調(diào)用語句；接收/發(fā)送事件表示對(duì)通信的接收/發(fā)送，根據(jù)通信事件的類型，轉(zhuǎn)換為信號(hào)量、消息或管道的調(diào)用語句；遷移的動(dòng)作是遷移中所需執(zhí)行的計(jì)算處理過程，轉(zhuǎn)換為對(duì)事件調(diào)用語句，調(diào)用語句的具體實(shí)現(xiàn)在遷移事件的動(dòng)作列表中表明。

監(jiān)護(hù)條件結(jié)合源狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為循環(huán)或條件控制語句。

2.3.3 控制語句轉(zhuǎn)換規(guī)則

狀態(tài)圖中的選擇狀態(tài)、監(jiān)護(hù)條件以及遷移的流出方向，一起決定了程序的控制語句。由于控制語句本身的復(fù)雜性，控制語句的轉(zhuǎn)換規(guī)則較為復(fù)雜，為方便對(duì)狀態(tài)圖的控制算法的分析。首先定義以下術(shù)語:

1）路徑:狀態(tài)圖中任何狀態(tài)的序列及狀態(tài)間的遷移稱為路徑。

2）循環(huán)路徑:起始于狀態(tài)S，經(jīng)過狀態(tài)間的遷移又返回到狀態(tài)S的路徑稱為循環(huán)路徑。

3）循環(huán)起始狀態(tài):對(duì)狀態(tài)圖從初始狀態(tài)進(jìn)行深度優(yōu)先搜索時(shí)，在循環(huán)路徑中搜索到的第一個(gè)狀態(tài)稱為這個(gè)循環(huán)路徑中的循環(huán)起始狀態(tài)。

4）循環(huán)終止?fàn)顟B(tài):這個(gè)狀態(tài)處于循環(huán)路徑中，且其目標(biāo)狀態(tài)是此循環(huán)路徑的循環(huán)起始狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)稱為循環(huán)終止?fàn)顟B(tài)。

5）完整路徑:從初始狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)或到循環(huán)終止?fàn)顟B(tài)的路徑稱為完整路徑。

本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)圖控制算法的主要轉(zhuǎn)換規(guī)則如下:

1）如果狀態(tài) S是初始狀態(tài)，則表示狀態(tài)圖的分析開始。

2）對(duì)所有循環(huán)路徑，如果狀態(tài) S是這個(gè)循環(huán)路徑的循環(huán)起始狀態(tài)，有以下轉(zhuǎn)換規(guī)則:

a)在循環(huán)路徑上的流出遷移和流入遷移均無監(jiān)護(hù)條件，則轉(zhuǎn)換為 forever語句，循環(huán)路徑上轉(zhuǎn)換為forever語句的循環(huán)體。

b)在循環(huán)路徑上的流出遷移無監(jiān)護(hù)條件，但流入遷移有監(jiān)護(hù)條件，則轉(zhuǎn)換為do-while語句。語句的循環(huán)體為其循環(huán)路徑，循環(huán)條件為此監(jiān)護(hù)條件。

c)在循環(huán)路徑上的流入遷移無監(jiān)護(hù)條件，但流出遷移有監(jiān)護(hù)條件，則轉(zhuǎn)換為while語句，語句的循環(huán)體為其循環(huán)路徑，循環(huán)條件為此監(jiān)護(hù)條件。

d)在循環(huán)路徑上的流出遷移和流入遷移均有監(jiān)護(hù)條件，則在轉(zhuǎn)換規(guī)則c)的基礎(chǔ)上，在循環(huán)體內(nèi)最后加上do{}while語句，while的條件是（！監(jiān)護(hù)條件）。

3）如果狀態(tài) S不是循環(huán)起始狀態(tài)或循環(huán)終止?fàn)顟B(tài)，有以下轉(zhuǎn)換規(guī)則:

a)流出遷移有監(jiān)護(hù)條件，則轉(zhuǎn)換為if語句，語句的選擇體為這條路徑，條件為此監(jiān)護(hù)條件。

b)狀態(tài)S有多個(gè)流出遷移，觸發(fā)事件相同，監(jiān)護(hù)條件不同，則轉(zhuǎn)換為switch-case語句形式，case中的條件為相應(yīng)流出遷移上的監(jiān)護(hù)條件。

4）如果狀態(tài) S是鏈接狀態(tài)，則將兩個(gè)監(jiān)護(hù)條件合并為判定式的與關(guān)系。

5）如果狀態(tài)圖上所有完整路徑都被分析過，表示此狀態(tài)圖的分析完成。

3 原型實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

3.1 實(shí)現(xiàn)算法

為了實(shí)現(xiàn)代碼的生成，需要對(duì)每個(gè)狀態(tài)圖進(jìn)行兩次遍歷。第一次遍歷是找出狀態(tài)圖中所有的完整路徑，并當(dāng)這些路徑中含有循環(huán)路徑時(shí)，記錄下此循環(huán)路徑的循環(huán)起始狀態(tài)和循環(huán)終止?fàn)顟B(tài)。第二次遍歷是在第一次遍歷的基礎(chǔ)上，對(duì)每一個(gè)路徑結(jié)合第一次遍歷的結(jié)果進(jìn)行分析，并按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則生成代碼。兩次遍歷的具體算法如圖3所示。

假設(shè)一個(gè)狀態(tài)圖中有k條完整路徑，m個(gè)狀態(tài)，n個(gè)遷移。易知，第一次遍歷所需的時(shí)間復(fù)雜性是O(km)，空間復(fù)雜性也為 O(km)。假設(shè)按照轉(zhuǎn)換規(guī)則生成代碼的時(shí)間O(1)，則第二次遍歷所需的時(shí)間復(fù)雜性也為O(km)。所以上述算法的時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性均為O(km)。又因?yàn)樵跔顟B(tài)圖中，除終止?fàn)顟B(tài)外，每一個(gè)狀態(tài)至少引出一條流出遷移。如果每一條流出遷移，表示此狀態(tài)引出一條路徑。所以當(dāng)(1)狀態(tài)圖中有終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，k=n+1-m+1=n-m+2；(2)狀態(tài)圖中無終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，k=n-m+1。由此可推出，算法的時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性均為O(nm)。

圖3 兩次遍歷的算法活動(dòng)圖

3.2 應(yīng)用效果分析

本文根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則及實(shí)現(xiàn)算法，已實(shí)現(xiàn)AndroMDA的實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼生成工具RT-AndroMDA的原型。利用代碼生成工具生成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件，其正確性和時(shí)效性等性能一方面與軟件開發(fā)人員的設(shè)計(jì)有關(guān)，另一方面也與代碼生成工具對(duì)軟件開發(fā)人員建模的支持能力及模板的完整度有關(guān)。后者也是評(píng)價(jià)一個(gè)代碼生成工具有效性的重要標(biāo)準(zhǔn)。模板由代碼生成工具的設(shè)計(jì)者編寫，這些模板除編寫模板的語言外并無太大差別，它們經(jīng)過修改，都能生成一樣的代碼。而各種代碼生成工具對(duì)于建模的支持能力差別較大。LACATRE僅支持流程圖式的建模，不能對(duì)算法流程外的其他軟件特性進(jìn)行建模。而且它也不支持模型的嵌套開發(fā)，使得建立的模型較為復(fù)雜。另外，它僅覆蓋軟件生命周期的設(shè)計(jì)和編碼兩個(gè)階段，抽象層次較低。而RT-AndroMDA利用UML等技術(shù)克服了上述缺陷，它支持軟件開發(fā)人員通過用例圖、類圖、狀態(tài)圖等 UML圖對(duì)軟件的各種特性進(jìn)行建模。同時(shí)它支持模型的嵌套開發(fā)，有效的降低了建模的復(fù)雜性。另外由于PIM的平臺(tái)無關(guān)性，也使其抽象性得到提高，支持軟件生命周期從分析到測試的各個(gè)階段，有利于模型的移植和復(fù)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，本文利用RT-AndroMDA實(shí)現(xiàn)了共8777行代碼的一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件，其中自動(dòng)生成代碼約 6500行，約占總代碼量的 74%。為進(jìn)一步考察此工具的效果，本文結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)方法、LACATRE方法和本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)際應(yīng)用效果比較

由表3可知，使用RT-AndroMDA在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)所需的工作量減少了47%，缺陷率也減少60%。這說明RT-AndroMDA對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的軟件的開發(fā)效率和質(zhì)量都由提高。不過也可看到，雖然工具生成約74%的代碼，但是工作效率和質(zhì)量并沒有提高這么多。其主要原因是:軟件開發(fā)人員在建模過程中要比純手工編碼時(shí)的建模過程需要關(guān)注更多的細(xì)節(jié)，所以導(dǎo)致建模過程時(shí)間較長，也較易有疏漏。另外開發(fā)人員也需一定時(shí)間熟悉此工具。

4 結(jié)束語

本文研究了基于開源軟件 AndroMDA的實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼生成技術(shù)，分析并設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)PIM到PSM及PSM到代碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則和實(shí)現(xiàn)算法。通過應(yīng)用這些轉(zhuǎn)換規(guī)則和實(shí)現(xiàn)算法，本文已初步實(shí)現(xiàn)了類圖及狀態(tài)圖到實(shí)時(shí)系統(tǒng)代碼的轉(zhuǎn)換生成。經(jīng)過應(yīng)用效果分析可知，AndroMDA對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件的開發(fā)效率和質(zhì)量都有較大提高。下一步的工作是進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)換規(guī)則和實(shí)現(xiàn)算法，并研究其他UML圖如順序圖的模型轉(zhuǎn)換，以更好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的代碼生成。

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